Изучение газовых законов.

Работа 1.
Изучение газовых законов.
Повторить §18 (под редакцией А.А. Пинского «Физика 10»); §70, §71(Мякишев, Буховцев,
Соцкий «Физика-10»)
Цель работы:
1)Проверка соотношения между изменениями объема и давления определенного количества газа при его изотермическом сжатии.
2) Исследование зависимости давления газа от температуры при его
изохорном охлаждении.
При исследовании газовых законов, рассматривается газ в двух состояниях, при одном из параметров постоянном. В работе предлагается исследовать справедливость законов Бойля-Мариотта и
Шарля.
Объектом изучения в работе является воздух, находящийся внутри прозрачной трубки. В исходном состоянии он имеет следующие параметры. Давления равно атмосферному. Объем равен объему
внутренней полости трубки. Температура соответствует температуре воздуха в помещении класса.
Второе состояние для экспериментальной проверки закона Бойля-Мариотта получают путем сжатия. Для этого кран на одном конце закрывают. Второй кран остается открытым. Конец трубки с открытым краном погружают в мерный цилиндр, который предварительно заполняют водой комнатной
температуры, не долив до верхнего края 15 – 20 мм. Кран опускают до дна цилиндра. Через открытый кран в трубку заходит вода и сжимает воздух до тех пор, пока его давление не сравняется с
внешним давлением. Таким образом, во втором состоянии параметры воздуха окажутся следующими: Объем будет равен объему внутренней полости за вычетом объема воды, вошедшей в трубку.
Давление возрастет на величину гидростатического давления столбы воды в цилиндре. Температура
не меняется.
Объем внутренней полости определяется произведением площади поперечного сечения трубки
на еѐ длину. Поскольку поперечное сечение трубки не меняется, объем воздуха удобно измерять в
условных единицах. За условную единицу принимают единицу длины трубки.
Итак, в исходном состоянии давление определяется по показаниям барометра-анероида, а объем
– измерительной лентой по длине внутренней полости.
Для измерения давления во втором состоянии измеряют разницу уровней воды в мерном цилиндре и в трубке – Н. По формуле для расчета гидростатического давления жидкости вычисляют давление столба воды: Р=ρgH, где ρ – плотность воды. Давление воздуха во втором состоянии будет равно
сумме атмосферного и гидростатического давления.
Для определения объема воздуха во втором состоянии измеряют длину столба воды, вошедшей
в трубку. Из измеренной ранее длины трубки вычитают длину столба воды.
Завершив измерения, находят произведения давления на объем воздуха в первом и втором состояниях. Сравнивая полученные числа, делают вывод о справедливости закона Бойля-Мариотта.
Исследуемым газом во втором опыте является воздух, находящийся внутри прозрачной трубки.
Чтобы его нагреть трубку укладывают плотно виток к витку в стакан калориметра. Перед этим один
из кранов закрывают. Укладку начинают с того конца, на котором находится закрытый кран, и проводят так, чтобы конец с открытым краном оказался сверху. Затем в стакан наливают теплой воды.
Уровень воды должен быть выше открытого крана не более чем на 5 – 10 мм.
Воздух в шланге при нагревании станет расширяться, и из крана начнут выходить пузырьки. Когда температура воздуха и воды сравняются, расширение прекратится, и пузырьки перестанут образовываться. После отделения последнего пузырька кран закрывают.
Состояние воздуха в шланге в этот момент принимают за исходное и приступают к определению
его параметров – температуры и давления. Температуру определяют термометром по температуре
воды, а давление по показанию классного барометра-анероида. Такой способ измерения давления
возможен по следующим соображениям. Пузырьки образуются до тех пор, пока давление воздуха в
трубке не станет равным сумме давления атмосферы и столба воды над краном. Но так как уровень
воды над краном по условию проведения опыта составляет всего несколько миллиметров, давлением
водяного столба можно пренебречь по сравнению с давлением атмосферы. Исходя из этого, можно
считать, что в исходном состоянии давление воздуха в трубке равно атмосферному давлению.
Измерив исходные параметры воздуха, его переводят в другое состояние путем охлаждения до
комнатной температуры. Трубку извлекают из калориметра и в виде бухты вешают на лапку штатива. Лапка штатива предварительно закрепляется на стержне на высоте около 35 см от поверхности
стола. Под лапку ставят мерный цилиндр, в который налито 15 – 20 мл воды. Термометр также вынимают из калориметра.
Затем один из кранов соединяют с манометрической трубкой. Делается это в следующей последовательности. Свободный конец манометрической трубки погружают до дна в мерный цилиндр.
Верхнюю часть манометрической трубки немного зажимают в лапке штатива, но так чтобы внутренний канал был бы погружен в воду. Только после этих операций манометрическую трубку с помощью соединительного патрубка соединяют с краном.
При контакте с более холодным воздухом классного помещения воздух в большой трубке охлаждается, его давление падает, но объем остается постоянным. Если открыть кран, то на концах манометрической трубки возникает разность давлений и вода из сосуда начинает втягиваться вверх по
трубке до тех пор, пока давление столба воды в ней не уравновесит атмосферное давление, то есть
пока не наступит равенство:
Рат = Р2 + Рв ,
где Р2 – давление в шланге, а Рв – давление столба воды в трубке. Отсюда: Р2 = Рат − Рв . По высоте водяного столба определяют его давление и, зная давление атмосферы, вычисляют давление в
большой трубке после охлаждения – Р2. Температура в трубке в этот момент равна температуре воздуха в классе и определяется термометром.
Получив значения начальных и конечных значений температур и давлений, находят отношения
давления воздуха к его температуре в нагретом и охлажденном состоянии и, проверяют насколько
выполняется равенство Шарля в условиях проведенного эксперимента.
Выполнение работы.
Оборудование: 1)Прозрачная трубка с кранами; 2) мерный цилиндр; 3) измерительная лента; 4)
манометрическая трубка; 5) штатив с лапкой; 6) термометр лабораторный; 7)барометр-анероид; 8)
стакан; 9) горячая вода.
1. Исследование изотермического процесса.
1) Приготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.
мм
L1,
Р1, Па
ΔL,
мм
мм
L2,
Н, мм
Рв, мм
Р2, мм
L1P1
2) Измерьте длину воздушного столба в трубке – L1.
3) Закройте один кран и погрузите конец трубки с открытым краном в мерный цилиндр.
L2P2
4) Измерьте длину столба воды, вошедшей в трубку – ΔL.
5) Измерьте разницу уровней воды в мерном цилиндре и трубке – Н.
6) Вычислите длину воздушного столба в трубке после сжатия 𝐿2 = 𝐿1 − 𝛥𝐿.
7) Вычислите гидростатическое давление воды Рв = 𝜌𝑔𝐻.
8) Вычислите давление воздуха в трубке после сжатия Р2 = Р1 + Рв .
9) Вычислите произведения L1P1 и L2P2. Сделайте вывод о том, насколько точно изменение параметров газа в проделанном опыте соответствует закону Бойля-Мариотта.
10) Укажите причины, повлиявшие на точность полученных результатов.
2. Исследование изохорного процесса.
1) Приготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
t 1,0 С
Т1, К
Р1, Па
t 2, 0C
Т2, К
Н, мм
Рв, Па
Р2, Па
Р1/T1
P2/T2
2) По показанию термометра определите температуру воздуха в классе – t2.
3) Уложите шланг во внешний стакан калориметра.
4) Заполните стакан теплой водой так, чтобы открытый кран оказался бы погруженным не более
чем на 5 – 10 мм.
5) По выделению пузырьков определите момент выравнивания температур воды и воздуха в
трубке.
6) По температуре воды определите температуру в трубке – t1.
7) С помощью барометра-анероида определите давление воздуха в трубке Р1=Рат.
8) Закройте кран, извлеките трубку из стакана и поместите еѐ на штатив как сказано выше.
9) Присоедините к крану манометрическую трубку, выполняя последовательность действий, изложенную в предыдущем разделе.
10) Плавно откройте кран и наблюдайте за поднятием уровня воды в манометрической трубке. В
момент, когда температуры воздуха в большой трубке и в комнате станут одинаковыми, поднятие
уровня воды прекратится. Измерьте после этого разность уровней воды в трубке и в мерном цилиндре – Н.
11) Вычислите величину давления водяного столба: Р = 𝜌𝑔𝐻, где ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения, Н – разность уровней.
12) Вычислите давление воздуха в трубке после охлаждения Р2 = Рат − Рв .
13) Переведите полученные значения температуры в градусы шкалы Кельвина.
14) Вычислите отношения P1/T1 и P2/T2.
15) Сделайте вывод о том, насколько полученный результат соответствует теории. Укажите возможные причины расхождения экспериментальных данных с теорией.
Контрольные вопросы.
1. Почему процесс сжатия воздуха в данной работе можно считать изобарным?
2. Какие условия должны выполняться, чтобы, определяя параметры газа можно было воспользоваться законом Бойля-Мариотта?
3. Почему охлаждение воздуха в проведенном опыте можно считать изохорным?
4. На какую величину изменяется количество воздуха в шланге при подключении к нему манометрической трубки? Какой процент эта величина составляет от количества воздуха в исходном состоянии, если диаметр манометрической трубки 2 мм?
Задачный минимум: О.Ф. Кабардин и др. «задачник 9-11 кл.» № 7.7,
7.8, 7.10